CN109239840A - 一种光纤光栅温度应变混合光缆 - Google Patents

一种光纤光栅温度应变混合光缆 Download PDF

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Abstract

一种光纤光栅温度应变混合光缆，包括金属管和传感光纤；金属管的内壁设有固定点和掩埋区，传感光纤和金属管在固定点和掩埋区固定；掩埋区内有应变传感点，固定点之间有温度传感点；相邻固定点或固定点与掩埋区之间的光纤长度大于或等于金属管长度的101%。采用金属管作为加强件来保护光纤光栅不受损伤，灵活设置应变传感点和温度传感点。其中，变传感点与金属管粘接成为一体，可以监测金属管上的应变；温度传感点两端留有冗余；当金属管受力时，冗余可以抵消应变的影响，实现免应力的温度监测。与此同时，应变传感点受到的温度影响也可由相邻的温度传感点进行补偿。该光缆结构简单，不仅解决了温度应变的交叉影响，同时还实现了一根缆上的温度、应变的多参数测量，在光纤光栅传感领域具有重要的应用价值。

Description

一种光纤光栅温度应变混合光缆
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感领域，具体涉及一种光纤光栅温度应变混合光缆。
背景技术
光纤光栅传感器具有精度高、响应速度快和抗电磁干扰等一系列优点，低反射率光纤光栅(以下简称“弱光栅”)是对反射率低于1％光栅的统称，它不仅集成传统光纤光栅的优势，还具有复用容量大、机械性能好、易于批量生产等优势。随着弱光栅的量产和普及，基于弱光栅阵列的线性传感器在分布式应变或温度监测的场合越来越多。由于光纤光栅阵列纤细脆弱，需要将光纤光栅成缆包覆来提高其抗拉强度、抗冲击及抗弯曲性能。但光纤光栅与普通金属导线工艺进行包覆成缆，而且光纤光栅对温度和应变都很敏感，温度和应变的交叉影响也是一个很大的问题。
传统技术很少涉及光纤光栅串的封装，且大多数封装后的光栅传感器也只能对单个参量进行检测。专利“紧套光纤光栅串传感光缆”(专利号：201210293423.8)提出采用紧包护套对光栅串进行封装及成缆，在实际应用过程中由于紧包护套与光纤光栅的热膨胀系数存在较大差异，导致光纤光栅的波长漂移与温度变化呈现出非线性关系；专利“一种免应力光栅阵列感温光缆及其传感方法”(专利号：201710457903.6)提出采用受力光纤和免应力光纤结合，通过消除光纤光栅应力的干扰来避免测温时的非线性效应，但这种光纤光栅阵列还是裸露在外界环境中，在恶劣的监测环境下无法使用，且测量参数单一，只能满足测温的要求。
发明内容
为克服现有弱光纤光栅串成缆时温度应变交叉影响，并且无法同时进行温度应变混合测量的问题，本发明提出了一种光纤光栅温度应变混合光缆，该光缆结构简单，不仅解决了温度应变的交叉影响，同时还实现了一根缆上的温度、应变的多参数测量，在光纤光栅传感领域具有重要的应用价值。
本发明采取的技术方案为：
一种光纤光栅温度应变混合光缆，包括金属管、传感光纤，所述金属管的内壁设有固定点和掩埋区，所述传感光纤与金属管在固定点和掩埋区固定。
所述掩埋区内有应变传感点，相邻两个固定点之间有温度传感点。
相邻两个固定点之间、或者相邻固定点与掩埋区之间的光纤长度，大于或等于金属管长度的101％。当光缆受拉伸时，传感光纤上具有1％的冗余，应力不会通过固定点或掩埋区传递到温度传感点处，使得光缆可以免应力测温。而1％的光纤冗余能够满足即使在较大应力的作用下，金属管的伸长量也不可能达到1％，温度传感点始终不会受到应力影响。
所述应变传感点、或温度传感点为弱光栅阵列。
所述金属管采用不锈钢片卷曲成型，激光焊接而成。
所述传感光纤的涂覆层为改性的聚丙烯酸酯，热膨胀系数为5.5×10-7/℃,厚度为20～30um。
所述掩埋区的长度为30mm，厚度小于2mm，应变传感点的预张力约为100uε。
所述固定点、掩埋区为紫外固化胶，相邻两个固定点之间、或者相邻固定点与掩埋区之间的间距约为250mm。
当光缆受拉伸时，应变传感点承受应力所产生的应变，温度传感点不受应力的影响；当光缆受温度作用时，温度传感点承受温度所产生的变化。
本发明一种光纤光栅温度应变混合光缆，具有以下有益效果：
1)、测量精度高：
光纤光栅阵列采用超薄涂覆，减少涂覆层对光纤光栅线性度的影响；用于测温的光栅留有冗余自由的置于不锈钢管内，免去了应力的影响，测温更精准；用于测应变的光栅粘接为一体，且有相邻测温光栅的温度补偿，测量应力应变更精确。
2)、多参数测量：
一根弱光纤光栅阵列同时监测温度、应力应变、振动等多个参数，相比于传统的单参数光纤光栅光缆，应用场合更加广泛，性价比更高。
3)、光缆结构简单，制备工艺成熟：
该光纤光栅温度应变光缆，仅需将弱光纤光栅阵列分段固定在不锈钢金属管内即可，可利用现有的复合不锈钢管光纤单元生产线进行简单的改进便可实现该光缆的自动化在线生产。
4)、采用金属管作为加强件来保护光纤光栅不受损伤，灵活设置感温光栅和应变光栅。其中，应变光栅与金属管粘接成为一体，可以监测金属管上的应应变；测温光栅两端留有冗余，当金属管受力时，冗余可以抵消应变的影响，实现免应力的温度监测。与此同时，测应变光栅受到的温度影响也可由相邻的测温度的光栅进行补偿。
附图说明
图1为本发明种光纤光栅温度应变混合光缆的截面示意图。
图2为本发明一种光纤光栅温度应变混合光缆的制作方法的示意图。
其中：1为金属管；2为传感光纤；3为固定点；4为掩埋区；5为温度传感点；6为应变传感点；7为激光焊接装置；8为精密定位滚轮；9为紫外光源；10为辅助夹具；11为不锈钢带。
具体实施方式
一种光纤光栅温度应变混合光缆，其截面示意图如图1所示。包括金属管1和传感光纤2；金属管1的内壁设有固定点3和掩埋区4，传感光纤2和金属管1在固定点3和掩埋区4固定；掩埋区4内有应变传感点6，固定点3之间有温度传感点5；相邻固定点3、或固定点3与掩埋区4之间的光纤长度大于或等于金属管1长度的101％。
所述的应变传感点6、或温度传感点5为弱光栅，光栅的反射率低于0.1％，波长可以相同，也可以不同。
所述的金属管1采用不锈钢片卷曲成型，激光焊接而成。
所述的传感光纤2的涂覆层为改性的聚丙烯酸酯，热膨胀系数为5.5×10-7/℃,厚度为20～30um。
所述掩埋区4的长度为30mm，厚度小于2mm，应变传感点6的预张力约为100uε。
所述的固定点3和掩埋区4为紫外固化胶，相邻固定点3、或固定点3与掩埋区4之间的间距约为250mm。
当光缆受拉伸时，应变传感点6承受应力所产生的应变，温度传感点5不受应力的影响；当光缆受温度作用时，温度传感点5承受温度所产生的变化。
本发明的一种光纤光栅温度应变混合光缆的制作方法，示意图如图2所示，包括以下步骤：
(1)、自动切边装置将不锈钢带11按要求宽度剪切，使剪切出来的边口更利于激光焊接，并自动盘绕在轮盘上；
(2)、剪切好的不锈钢带11放置到自动成型台上，同时光纤放线装置将光纤光栅阵列牵引着放置在不锈钢带11表面；
(3)、利用在线余长控制装置进行非接触式测量检测光纤余长，并利用放线装置控制光纤的余长；
(4)、检测不锈钢带11的位置是否到达固定点5，如到达，自动点胶装置点紫外固化胶，采用紫外光源9照射固化；
(5)、检测不锈钢带的位置是否到达掩埋区4，如到达，辅助夹具10使不锈钢带局部微弯，自动点胶装置在应变光栅及微弯不锈钢带的两端涂覆紫外固化胶，采用紫外光源9照射区对紫外胶进行第一次预固化；
(6)、当不锈钢带进入到成型装置处时，自动成型装置上的精密定位滚轮8将薄壁金属带定位并成型，且当应变光栅掩埋区4的不锈钢带经过成型滚轮时，控制该处的紫外光源9进行第二次完全固化；
(7)、成型好的不锈钢金属管进入焊接处，成型台上的纵向焊管机激光头7对成型后的不锈钢金属管进行在线连续焊接，焊接好的不锈钢金属管自动盘绕在绕线轮盘上。
综上所述，本发明公开的一种光纤光栅温度应变混合光缆，采用金属管作为加强件来保护光纤光栅不受损伤，灵活设置感温光栅和应变光栅。其中，应变光栅与金属管粘接成为一体，可以监测金属管上的应变；测温光栅两端留有冗余，当金属管受力时，冗余可以抵消应变的影响，实现免应力的温度监测。与此同时，测应变光栅受到的温度影响也可由相邻的测温度的光栅进行补偿。该光缆结构简单，不仅解决了温度应变的交叉影响，同时还实现了一根缆上的温度、应变的多参数测量，在光纤光栅传感领域具有重要的应用价值。

Claims (9)

1.一种光纤光栅温度应变混合光缆，包括金属管(1)、传感光纤(2)，其特征在于：
所述金属管(1)的内壁设有固定点(3)和掩埋区(4)，所述传感光纤(2)与金属管(1)在固定点(3)和掩埋区(4)固定；
所述掩埋区(4)内有应变传感点(6)，相邻两个固定点(3)之间有温度传感点(5)。
2.根据权利要求1所述一种光纤光栅温度应变混合光缆，其特征在于：相邻两个固定点(3)之间、或者相邻固定点(3)与掩埋区(4)之间的光纤长度，大于或等于金属管(1)长度的101％。
3.根据权利要求1所述一种光纤光栅温度应变混合光缆，其特征在于：所述应变传感点(6)、或温度传感点(5)为弱光栅阵列。
4.根据权利要求1所述一种光纤光栅温度应变混合光缆，其特征在于：所述金属管(1)采用不锈钢片卷曲成型，激光焊接而成。
5.根据权利要求1所述一种光纤光栅温度应变混合光缆，其特征在于：所述传感光纤(2)的涂覆层为改性的聚丙烯酸酯，热膨胀系数为5.5×10-7/℃,厚度为20～30um。
6.根据权利要求1所述一种光纤光栅温度应变混合光缆，其特征在于：所述掩埋区(4)的长度为30mm，厚度小于2mm，应变传感点(6)的预张力约为100uε。
7.根据权利要求1所述一种光纤光栅温度应变混合光缆，其特征在于：所述固定点(3)、掩埋区(4)为紫外固化胶，相邻两个固定点(3)之间、或者相邻固定点(3)与掩埋区(4)之间的间距约为250mm。
8.根据权利要求1所述一种光纤光栅温度应变混合光缆，其特征在于：当光缆受拉伸时，应变传感点(6)承受应力所产生的应变，温度传感点(5)不受应力的影响；当光缆受温度作用时，温度传感点(5)承受温度所产生的变化。
9.一种光纤光栅的温度应变混合光缆的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、将不锈钢带按要求宽度剪切，使剪切出来的边口更利于激光焊接，并自动盘绕在轮盘上；
(2)、剪切好的不锈钢带放置到自动成型台上，同时光纤放线装置将光纤光栅阵列牵引着放置在不锈钢带表面；
(3)、利用在线余长控制装置进行非接触式测量检测光纤余长，并利用放线装置控制光纤的余长；
(4)、检测不锈钢带的位置是否到达固定点，如到达，自动点胶装置点紫外固化胶，采用紫外光源照射固化；
(5)、检测不锈钢带的位置是否到达掩埋区，如到达，辅助夹具使不锈钢带局部微弯，自动点胶装置在应变光栅及微弯不锈钢带的两端涂覆紫外固化胶，采用紫外光源照射区对紫外胶进行第一次预固化；
(6)、当不锈钢带进入到成型装置处时，自动成型装置上的精密定位滚轮将薄壁金属带定位并成型，且当应变光栅粘接处的不锈钢带经过成型滚轮时，控制该处的紫外光源进行第二次完全固化；
(7)、成型好的不锈钢金属管进入焊接处，成型台上的纵向焊管机激光头对成型后的不锈钢金属管进行在线连续焊接，焊接好的不锈钢管自动盘绕在绕线轮盘上。
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